一种碳氮共渗轴承零件及制备方法和具有该零件的球轴承

摘要

一种碳氮共渗轴承零件及制备方法和具有该零件的球轴承，轴承零件有效硬化层深度0.3～0.5mm，距其表面0.15mm深处碳氮浓度：C？1.2～1.6%、N≥0.1%、C+N？1.5～2.0%，距其表面0.1mm、2mm深处的硬度分别为60～67HRC、58～63HRC，距其表面0.05mm、2mm深处的残余奥氏体含量分别为17～40%、5～12%，内部碳氮化物颗粒尺寸小于8μm；制备时，先在RX吸热式气体93.7～97.2%、富化气1.3～1.8%、氨气1.5～4.5%的气氛中于820～840℃下保温2～4h进行碳氮共渗，再依次淬、回火。本设计不仅延长了轴承在污染润滑工况下的使用寿命，且生产效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高碳铬轴承钢（GCr15）零件，具体为一种长寿命的碳氮共渗轴承零件及制备方法和具有该零件的球轴承。

背景技术

使用于汽车手动变速箱、工业减速机、摩托车曲轴、汽车交流发电机等用途的滚动轴承，由于润滑油或润滑脂的污染比较严重，工作条件非常恶劣，经过常规热处理的滚动轴承会由于轴承零件发生表面起源型的疲劳剥落而发生早期失效。例如，在汽车手动变速箱中，齿轮的啮合产生很多金属碎屑和金属粉末，这些金属碎屑和金属粉末俗称磨粒，混在润滑油中，随润滑油进入轴承内部，在轴承运转过程中，卡入钢球和滚道的接触区，在钢球和滚道表面引起大量压痕。在压痕的边缘会产生应力集中，从而加速轴承零件发生疲劳剥落，缩短轴承的寿命。

如果对高碳铬轴承钢零件进行碳氮共渗处理，使零件的表层组织中存在一定的残余奥氏体含量，但同时在碳氮原子的固溶强化作用下，不降低零件表层的硬度和接触疲劳强度，这样就能够降低压痕的危害性，从而延长污染润滑工况下轴承的使用寿命。但目前关于高碳铬轴承碳氮共渗轴承零件的技术仍不成熟，质量不稳定。零件容易出现渗层较浅、组织粗大、变形较大等问题；尤其在高碳势状态，而且在碳氮共渗温度高、长时间保温的碳氮共渗条件下，零件表层容易堆积较大颗粒状的碳氮化物，而产生应力集中，因此并不能根本解决污染工况下滚动轴承寿命缩短的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的轴承零件使用寿命短的问题，提供一种使用寿命长的碳氮共渗轴承零件及制备方法和具有该零件的球轴承。

为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

一种碳氮共渗轴承零件；

所述轴承零件的有效硬化层深度为0.3～0.5mm；

距所述轴承零件表面0.15mm深处的C、N元素浓度为：C1.2%～1.6%、N≥0.1%、C+N1.5%～2.0%；

距所述轴承零件表面0.1mm深处的硬度为60～67HRC，距所述轴承零件表面2mm深处的硬度为58～63HRC；

距所述轴承零件表面0.05mm深处的残余奥氏体含量为17%～40%，距所述轴承零件表面2mm深处的残余奥氏体含量为5%～12%；

所述轴承零件渗层金相组织为：隐针或细针含氮马氏体、残余奥氏体及碳氮化合物，无黑色组织、脱碳等显微组织缺陷，其中，碳氮化物呈细小颗粒状分布，无块状、角状或网状分布，且碳氮化物的颗粒尺寸不大于8μm。

所述有效硬化层深度采用以下方法测得：

先于500±10℃下对所述轴承零件回火处理1小时，然后检测轴承零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离。

一种上述碳氮共渗轴承零件的制备方法，该制备方法依次包括以下步骤：

①碳氮共渗：将高碳铬钢零件置于热处理炉中，加热至820～840℃后保温2～4

小时以进行碳氮共渗，其中，热处理炉中的气氛及其体积比为：RX吸热式气体93.7%～97.2%，富化气1.3%～1.8%，氨气1.5%～4.5%，富化气采用丙烷或丁烷；

②淬火：将碳氮共渗后的零件在820～840℃进行淬火，淬火介质为60～120℃的淬火油，冷却时间为2～10分钟；

③回火：先将淬火后的零件加热至200～220℃后保温1～4小时，然后空冷以得

到轴承零件。

一种球轴承，包括外圈、内圈和钢球，所述外圈、内圈、钢球中至少有一种采用了上述轴承零件；

当外圈、内圈由所述轴承零件构成时，距其表面0.1mm深处的硬度为60～65HRC；

当钢球由所述轴承零件构成时，距其表面0.1mm深处的硬度为62～67HRC。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明所述的碳氮共渗轴承零件的有效硬化层深度、零件表面的碳氮浓度、硬度、残余奥氏体含量以及碳氮化物颗粒尺寸被控制在合适的范围内，使得轴承零件在保证心部性能的同时具有理想的强化表层，在零件的表层基体中确保了一定量的碳、氮固溶，使较多的残余奥氏体不至于影响轴承零件表面所要求的高硬度、高弹性极限和高接触疲劳强度等。另外，轴承零件内的碳氮化物颗粒尺寸控制在8μm以内，不会产生应力集中，且距轴承零件表面0.05mm深处的残余奥氏体含量为17%～40%，能有效减缓轴承零件压痕引起的表面起源型的疲劳剥落，从而提高了在污染润滑工况下使用的轴承寿命。因此，本发明轴承零件的使用寿命较长。

2、本发明所述的碳氮共渗轴承零件的制备方法通过控制RX吸热式气体、富化气、氨气的比例、共渗温度和时间以及淬火和回火工艺，一方面，不仅使得轴承零件表层能够得到合理的渗碳、渗氮量、渗层深度和细小的渗层组织，而且还可避免表层产生大颗粒及块状碳化物，在不影响零件心部性能的同时，其表层得到了有效强化，延长了轴承在污染润滑工况下的疲劳寿命，另一方面，该方法采用可控气氛热处理炉即可实现连续生产轴承零件，不需要二次淬火回火炉，生产效率高，有利于降低制造成本。因此，本发明方法不仅延长了轴承在污染润滑工况下的疲劳寿命，而且生产效率高。

附图说明

图1为本发明球轴承的结构示意图。

图2为在润滑油中掺入金属粉末条件下的疲劳寿命试验验证结果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

一种碳氮共渗轴承零件：

所述轴承零件的有效硬化层深度为0.3～0.5mm；

距所述轴承零件表面0.15mm深处的C、N元素浓度为：C1.2%～1.6%、N≥0.1%、C+N1.5%～2.0%；

距所述轴承零件表面0.1mm深处的硬度为60～67HRC，距所述轴承零件表面2mm深处的硬度为58～63HRC；

距所述轴承零件表面0.05mm深处的残余奥氏体含量为17%～40%，距所述轴承零件表面2mm深处的残余奥氏体含量为5%～12%；

所述轴承零件渗层金相组织为：隐针或细针含氮马氏体、残余奥氏体及碳氮化合物，无黑色组织、脱碳等显微组织缺陷，其中，碳氮化物呈细小颗粒状分布，无块状、角状或网状分布，且碳氮化物的颗粒尺寸不大于8μm。

所述有效硬化层深度采用以下方法测得：

先于500±10℃下对所述轴承零件回火处理1小时，然后检测轴承零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离。

一种上述碳氮共渗轴承零件的制备方法，该制备方法依次包括以下步骤：

①碳氮共渗：将高碳铬钢零件置于热处理炉中，加热至820～840℃后保温2～4

小时以进行碳氮共渗，其中，热处理炉中的气氛及其体积比为：RX吸热式气体93.7%～97.2%，富化气1.3%～1.8%，氨气1.5%～4.5%，富化气采用丙烷或丁烷；

②淬火：将碳氮共渗后的零件在820～840℃进行淬火，淬火介质为60～120℃

的淬火油，冷却时间为2～10分钟；

③回火：先将淬火后的零件加热至200～220℃后保温1～4小时，然后空冷以得

到轴承零件。

一种球轴承，包括外圈1、内圈2和钢球3，所述外圈1、内圈2、钢球3中至少有一种采用了上述轴承零件；

当外圈1、内圈2由所述轴承零件构成时，距其表面0.1mm深处的硬度为60～65HRC；

当钢球3由所述轴承零件构成时，距其表面0.1mm深处的硬度为62～67HRC。

以下对本发明提供的碳氮共渗轴承零件的技术指标进行说明：

本发明通过对轴承零件有效硬化层深度、零件表面碳氮元素浓度、硬度、残余奥氏体含量以及零件内碳氮化物颗粒尺寸的控制，同时保证了轴承零件表层和心部的性能，从而实现了球轴承的长寿命化。

有效硬化层深度：若有效硬化层深度过小，起不到共渗的效果，若有效硬化层过深，一般是由于共渗温度过高或时间过长，导致渗碳过度，容易使零件表面堆积大颗粒状或块状的碳氮化物，因此本发明将有效硬化层深度控制在0.3～0.5mm。

碳氮浓度：保持了一定量的碳、氮原子固溶在零件的表层基体中，热处理后可使得表层得到较多的残余奥氏体且不至于影响轴承零件表面所要求的高硬度、高弹性极限和高接触疲劳强度等。同时避免了零件表层产生大颗粒或块状碳化物（碳氮化物颗粒直径可控制在8μm以下），最终使轴承零件得到本发明所述的细小渗层组织，本发明将C、N元素浓度控制在：C1.2%～1.6%、N≥0.1%、C+N1.5%～2.0%。

硬度：本发明根据轴承的使用工况确定了轴承零件表层以及心部的硬度要求,本发明具体限定了碳氮共渗轴承零件的硬度要求：距所述轴承零件表面0.1mm深处的硬度为60～67HRC，距所述轴承零件表面2mm深处的硬度为58～63HRC；

残余奥氏体含量：在污染润滑工况下，零件表层较多的残余奥氏体能减缓压痕凹坑引起的表面起源型疲劳剥落，但过多的残余奥氏体会影响轴承零件的硬度；同时保持心部较低含量的残余奥氏体有利于稳定轴承零件的尺寸，因此本发明限定了轴承零件表层及心部的残余奥氏体含量：距所述轴承零件表面0.05mm深处的残余奥氏体含量为17%～40%，距所述轴承零件表面2mm深处的残余奥氏体含量为5%～12%；

渗层金相组织：较粗的马氏体会影响轴承零件的强度及韧性，从而影响轴承的疲劳寿命；粗大的碳氮化物颗粒会造成大颗粒碳氮化物旁的成分不均匀，显微组织也不均匀，同时粗大的碳化物边缘处会产生应力集中，而产生疲劳源，从而缩短轴承的寿命。因此本发明具体限定含氮马氏体为隐针或细针状，且碳氮化物的颗粒尺寸不大于8μm。

以下对本发明提供的有效硬化层深度的检测方法进行说明：

500±10℃下回火处理：在上述温度下对轴承零件进行回火处理，表层的含氮马氏体回火后硬度没有显著降低，而心部马氏体硬度下降显著，使得零件表层到心部的硬度梯度变化更为明显，提高了检测的准确度。

检测轴承零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离：碳氮共渗后零件的硬化层与心部之间没有明显的分界线，难以精确找到表面至心部硬度平稳处的距离，将维氏硬度500HV设置为界限硬度，不仅能准确反映出碳氮共渗零件的有效硬化层深度，而且也能够间接反映碳氮共渗零件表层的性能。

以下对本发明提供的碳氮共渗轴承零件的制备方法进行说明：

本发明采用吸热性气体+富化气+氨气组成碳氮共渗介质，同时按照按一定比例通入，可通过调节吸热式气体与富化气的比例快速控制气氛的碳势，可通过控制氨气的通入比例来控制氮势，避免了以往通过热处理炉的生产情况、轴承零件的渗层质量情况等经验来确定。

碳氮共渗温度为820～840℃，保温时间为2～4小时；随后进行淬火。该温度比通常的碳氮共渗温度800～900℃要低，可防止轴承零件在长时间的较高温度保温下，淬火后出现较粗大的针状马氏体组织。

淬火温度为820～840℃，使用60～120℃的淬火油，根据零件尺寸的大小，在油内冷却为2～10分钟，在较高的油温下淬火时，可使轴承零件冷却更加均匀性，减小轴承零件的变形。然后加热至200～220℃，根据轴承零件的大小和有效壁厚保温1～4小时回火，利用含氮马氏体的耐回火性，在较高温度下回火可以稳定轴承零件的组织和尺寸，同时降低轴承零件表层的脆性。

实施例1：

一种碳氮共渗轴承零件，所述轴承零件的有效硬化层深度为0.5mm，距所述轴承零件表面0.15mm深处的C、N元素浓度为：C1.5%、N0.2%、C+N1.7%，距所述轴承零件表面0.1mm深处的硬度为65HRC，距所述轴承零件表面2mm深处的硬度为63HRC，距所述轴承零件表面0.05mm深处的残余奥氏体含量为38%，距所述轴承零件表面2mm深处的残余奥氏体含量为10%，所述轴承零件内的碳氮化物颗粒尺寸不大于8μm，其中，所述有效硬化层深度采用以下方法测得：

先于500℃下对所述轴承零件回火处理1小时，然后检测轴承零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离。

一种碳氮共渗轴承零件的制备方法，该制备方法依次包括以下步骤：

①前处理：将表面无脱碳层的高碳铬轴承零件送入清洗机以除其表面的污物；

②碳氮共渗：将经前处理后的高碳铬轴承零件置于热处理炉中，加热至835℃后

保温4小时以进行碳氮共渗，其中，热处理炉中的气氛及其体积比为：RX吸热式气体95.8%,富化气1.7%，氨气2.5%,富化气采用丙烷；

③淬火：将碳氮共渗后的轴承钢在835℃下、用100℃的淬火油冷却5分钟；

④回火：先将淬火后的轴承钢加热至210℃后保温2小时，然后空冷以得到轴承

零件。

一种具有碳氮共渗轴承零件的球轴承，包括外圈1、内圈2和钢球3。所述外圈1、内圈2、钢球3均由上述碳氮共渗轴承零件构成。

实施例2：

一种碳氮共渗轴承零件，所述轴承零件的有效硬化层深度为0.36mm，距所述轴承零件表面0.15mm深处的C、N元素浓度为：C1.5%、N0.1%、C+N1.6%，距所述轴承零件表面0.1mm深处的硬度为60HRC，距所述轴承零件表面2mm深处的硬度为58HRC，距所述轴承零件表面0.05mm深处的残余奥氏体含量为17%，距所述轴承零件表面2mm深处的残余奥氏体含量为5%，所述轴承零件内的碳氮化物颗粒尺寸小于3μm，其中，所述有效硬化层深度采用以下方法测得：

先于490℃下对所述轴承零件回火处理1小时，然后检测轴承零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离。

一种碳氮共渗轴承零件的制备方法，该制备方法依次包括以下步骤：

①前处理：将表面无脱碳层的高碳铬轴承零件送入清洗机以除其表面的污物；

②碳氮共渗：将经前处理后的高碳铬轴承零件置于热处理炉中，加热至840℃后

保温2小时以进行碳氮共渗，其中，热处理炉中的气氛及其体积比为：RX吸热式气体96.9%，富化气1.6%，氨气1.5%，富化气采用丁烷；

③淬火：将碳氮共渗后的轴承钢在840℃下、用120℃的淬火油冷却10分钟；

④回火：先将淬火后的轴承钢加热至220℃后保温3小时，然后空冷以得到轴承

零件。

一种球轴承，包括外圈1、内圈2和钢球3，所述内圈2由上述碳氮共渗轴承零件构成。

实施例3：

一种碳氮共渗轴承零件,所述轴承零件的有效硬化层深度为0.30mm，距所述轴承零件表面0.15mm深处的C、N元素浓度为：C1.3%、N0.2%、C+N1.5%，距所述轴承零件表面0.1mm深处的硬度为67HRC，距所述轴承零件表面2mm深处的硬度为63HRC，距所述轴承零件表面0.05mm深处的残余奥氏体含量为28%，距所述轴承零件表面2mm深处的残余奥氏体含量为9%，所述轴承零件内的碳氮化物颗粒尺寸不大于5μm，其中，所述有效硬化层深度采用以下方法测得：

先于500℃下对所述轴承零件回火处理1小时，然后检测轴承零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离。

一种碳氮共渗轴承零件的制备方法，该制备方法依次包括以下步骤：

①前处理：将表面无脱碳层的高碳铬轴承零件送入清洗机以除其表面的污物；

②碳氮共渗：将经前处理后的高碳铬轴承零件置于热处理炉中，加热至830℃后

保温3小时以进行碳氮共渗，其中，热处理炉中的气氛及其体积比为：RX吸热式气体97.2%，富化气1.3%，氨气1.5%，富化气采用丙烷；

③淬火：将碳氮共渗后的轴承钢在830℃下、用60℃的淬火油冷却10分钟；

④回火：先将淬火后的轴承钢加热至200℃后保温1小时，然后空冷以得到轴承

零件。

一种球轴承，包括外圈1、内圈2和钢球3，所述钢球3由上述碳氮共渗轴承零件构成。

实施例4：

一种碳氮共渗轴承零件，所述轴承零件的有效硬化层深度为0.4mm，距所述轴承零件表面0.15mm深处的C、N元素浓度为：C1.2%、N0.4%、C+N1.6%，距所述轴承零件表面0.1mm深处的硬度为62HRC，距所述轴承零件表面2mm深处的硬度为60HRC，距所述轴承零件表面0.05mm深处的残余奥氏体含量为28%，距所述轴承零件表面2mm深处的残余奥氏体含量为7%，所述轴承零件内的碳氮化物颗粒尺寸小于3μm，其中，所述有效硬化层深度采用以下方法测得：

先于510℃下对所述轴承零件回火处理1小时，然后检测轴承零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离。

一种碳氮共渗轴承零件的制备方法，该制备方法依次包括以下步骤：

①前处理：将表面无脱碳层的高碳铬轴承零件送入清洗机以除其表面的污物；

②碳氮共渗：将经前处理后的高碳铬轴承零件置于热处理炉中，加热至820℃后

保温3小时以进行碳氮共渗，其中，热处理炉中的气氛及其体积比为：RX吸热式气体94.7%，富化气1.3%，氨气4.0%，富化气采用丁烷；

③淬火：将碳氮共渗后的轴承钢在820℃下、用120℃的淬火油冷却2分钟；

④回火：先将淬火后的轴承钢加热至205℃后保温4小时，然后空冷以得到轴承

零件。

一种球轴承，包括外圈1、内圈2和钢球3，所述外圈1和内圈2由上述碳氮共渗轴承零件构成。

实施例5：

一种碳氮共渗轴承零件，所述轴承零件的有效硬化层深度为0.46mm，距所述轴承零件表面0.15mm深处的C、N元素浓度为：C1.6%、N0.4%、C+N2.0%，距所述轴承零件表面0.1mm深处的硬度为62HRC，距所述轴承零件表面2mm深处的硬度为61HRC，距所述轴承零件表面0.05mm深处的残余奥氏体含量为40%，距所述轴承零件表面2mm深处的残余奥氏体含量为12%，所述轴承零件内的碳氮化物颗粒尺寸小于8μm，其中，所述有效硬化层深度采用以下方法测得：

先于510℃下对所述轴承零件回火处理1小时，然后检测轴承零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离。

一种碳氮共渗轴承零件的制备方法，该制备方法依次包括以下步骤：

①前处理：将表面无脱碳层的高碳铬轴承零件送入清洗机以除其表面的污物；

②碳氮共渗：将经前处理后的高碳铬轴承零件置于热处理炉中，加热至830℃后

保温3小时以进行碳氮共渗，其中，热处理炉中的气氛及其体积比为：RX吸热式气体93.7%，富化气1.8%，氨气4.5%，富化气采用丙烷；

③淬火：将碳氮共渗后的轴承钢在830℃下、用120℃的淬火油冷却2分钟；

④回火：先将淬火后的轴承钢加热至205℃后保温3小时，然后空冷以得到轴承

零件。

一种球轴承，包括外圈1、内圈2和钢球3，所述内圈2和钢球3由上述碳氮共渗轴承零件构成。

实施例6：

同实施例1，不同之处在于：

所述外圈1、内圈2均由上述碳氮共渗轴承零件构成。

为了验证所述实施例中轴承寿命延长的效果，选取内径25mm、外径52mm、宽度15mm的球轴承6205至少十套，在润滑油中掺入金属粉末以模拟汽车变速箱润滑油工况，进行疲劳寿命的对比试验。所述对比试验采用了1#和2#两种6205球轴承试样，试样1#的内圈采用了本发明长寿命轴承零件、外圈和钢球为常规热处理轴承零件；试样2#的内圈、外圈和钢球皆采用常规热处理轴承零件以作为对比轴承。具体试验条件为：当量载荷P与基本额定动载荷Cr之比（P/Cr）为0.35，转速为3000转/分，掺入的金属粉末尺寸为75～150μm，硬度为720～850HV。

图2列出了疲劳寿命试验结果的韦布尔分布。可见，与试样2#（内圈、外圈和钢球皆采用了常规热处理轴承零件）相比，试样1#（内圈采用了本发明长寿命轴承零件）的疲劳寿命延长了1倍以上，其疲劳寿命的延长效果是显而易见的。